蜂窩形抗沖擊MEMS止擋結構的抗沖擊仿真與試驗研究

鳳 瑞，王 炅，喻 磊，鄭 宇，向 圓，喬 偉，王 甫

（1.華東光電集成器件研究所，江蘇 蘇州 215163；2.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094）

隨著微機電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system，MEMS）器件在消費類電子產品中的成功應用，MEMS器件已經開始進入工業(yè)和軍事應用領域。這些應用領域對MEMS器件的可靠性提出了更高的要求。由于MEMS器件內含有可動微機械結構，因此MEMS器件不同于傳統(tǒng)半導體芯片，其在惡劣力學環(huán)境下可能發(fā)生微機械結構失效[1-3]。強沖擊是惡劣力學環(huán)境的一種。工業(yè)領域的油氣勘探、軍事領域的彈藥發(fā)射等均是強沖擊環(huán)境，其沖擊g值能達上萬[4-7]，而一般消費類MEMS器件僅能承受最高6 000g的沖擊。因此應用于強沖擊環(huán)境的MEMS器件需要進行特殊的抗沖擊設計。

沖擊條件下MEMS器件的失效形式主要為結構變形超出材料屈服強度而導致的斷裂，結構發(fā)生接觸而引起的黏連，多層結構之間發(fā)生分層，硅屑導致的短路和（或）機械堵塞，不同電位結構接觸引起的短路等[8-10]。為解決MEMS器件的抗沖擊問題，國內外研究人員從MEMS器件結構設計、微加工工藝及材料、封裝工藝及材料等方面開展了一些相關研究工作。

密西根大學的Sang[11]從非線性止擋結構和軟緩沖鍍膜工藝兩個方面進行了MEMS器件抗沖擊理論和試驗研究。瑞士Colibrys公司發(fā)明了一種應用于MEMS加速度計的含止檔的應力隔離結構[12]。Sensor-Dynamics、Bosch、ADI、ST等公司也設計有與其MEMS產品結構對應的專用抗沖擊止擋結構。國內同濟大學姜濤等[13]對MEMS器件的抗沖擊限位止擋結構的剛度和限位距進行了分析研究，給出了限位止擋結構剛度和距離的設計方法。清華大學Tao等[14]設計了應用于MEMS加速度計的兩級彈性梁的止擋結構。通過采用不同結構形式的止擋，限制MEMS可動結構的運動位移，可以避免微結構在沖擊作用下應力超出材料屈服強度而發(fā)生斷裂失效。Hartezell等[15]總結了MEMS器件抗沖擊的一些設計建議，除了進行相關的力學計算保證結構滿足材料強度要求外，還需要考慮結構的應力集中、黏連等可靠性問題。

1 蜂窩形止擋結構設計

采用止擋結構限制MEMS可動結構的運動位移是一種MEMS器件常用的抗沖擊方法。但強沖擊條件下，MEMS可動結構與剛性止擋結構接觸碰撞會產生較大的沖擊力，可能會造成微結構產生破損或裂紋。將剛性止擋改為彈性止擋，可以實現(xiàn)止擋結構在碰撞接觸后發(fā)生一定程度的變形，利用彈性止擋結構的變形來延長碰撞作用時間，減緩碰撞作用力，降低結構因碰撞而產生破損或裂紋，提高結構的抗沖擊能力。密西根大學的Sang和清華大學Tao等設計的兩級彈性止擋結構雖然實現(xiàn)了強沖擊時MEMS加速度計敏感結構首先與第一級彈性梁止擋結構接觸緩沖，再與第二級彈性梁止擋結構接觸緩沖的兩級彈性梁止擋結構，降低了止擋在接觸碰撞過程中所受沖擊力。但結構存在三種不同尺寸的微小間隙，刻蝕負載效應下，不同間隙的刻蝕速率不一致將導致刻蝕完成時間不同。先刻蝕完成的結構會進一步過刻蝕結構側壁，造成不同尺寸的微間隙與設計值存在一定差異。兩級彈性梁止擋結構的間歇加工誤差將直接影響止擋結構的抗沖擊效果，進而影響MEMS結構成品率。同時，彈性梁止擋結構在梁根部容易出現(xiàn)應力集中，強沖擊條件下存在較大的失效風險。

宏觀尺度中，多孔材料廣泛應用于多種應用場合的抗沖擊防護。宏觀尺度的多孔材料是一種由形成孔穴的棱邊和壁面的固體桿或固體板所構成的相互聯(lián)結的網絡體。宏觀尺度的多孔材料借助于孔穴形結構的塑性變形實現(xiàn)緩沖吸能，同時多孔結構將沖擊力分散開，避免了應力集中。

借鑒多孔結構的應力分散結構特點，結合MEMS微加工工藝能力，設計了一種蜂窩形抗沖擊微止擋結構[16]。

單晶硅材料為典型的脆性材料，表現(xiàn)出線彈性行為，在斷裂前一般不會發(fā)生塑性變形。因此基于單晶硅材料的蜂窩狀微止擋結構僅能發(fā)生彈性變形。蜂窩狀微止擋結構不具備類似宏觀尺度蜂窩結構的塑性變形吸收沖擊能量的功能。但蜂窩狀微止擋結構與彈性梁式止擋結構類似，可以利用結構的彈性變形延長止擋與可動結構碰撞作用時間，減緩碰撞作用力。同時又避免了彈性梁式止擋結構的應力集中問題，提高了彈性止擋結構的抗沖擊可靠性。設計的蜂窩形止擋結構由兩層孔徑不同的孔穴結構構成，如圖1所示。蜂窩形止擋結構可以通過蜂窩孔徑的調整實現(xiàn)止擋結構剛度的調節(jié)，避免了多級彈性梁止擋結構的微小尺寸間隙較難加工的問題。在蜂窩形止擋結構上設計了3個凸點結構，用于減小蜂窩形止擋結構與質量塊的接觸面積，避免碰撞接觸后發(fā)生黏連現(xiàn)象。

圖1 蜂窩形止擋結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of honeycomb stop structure

單個蜂窩結構如圖2所示。取其中斜邊AB為對象。由于蜂窩單元受X軸向應力σx使AB梁發(fā)生彈性形變。假設結構材料的楊氏模量為Em，孔壁AB面的邊長為a、寬為t、厚為h，θ為AB壁面與X軸方向夾角。則AB面所受的彎矩為

圖2 單蜂窩孔穴結構示意圖Fig.2 Schematic of single honeycomb cell structure

可得AB邊的撓度為

撓度δ平行于X軸的分量為為δsinθ。故AB面產生X軸方向的等效應變?yōu)?/p>

根據(jù)剛度定義，單個蜂窩結構X軸等效剛度可簡化為

設計的蜂窩形止擋結構的簡化模型，如圖3所示。止擋彈性變形與結構剛度的關系可簡化為

圖3 蜂窩形止擋結構簡化模型Fig.3 Simplified model of honeycomb stop structure

式中:mi，ci，ki，xi分別為第i層蜂窩結構的質量、阻尼系數(shù)、等效剛度和位移；mmass為質量塊的質量；ashock為沖擊加速度。由式（5）可知，運動位移xi與蜂窩結構的等效剛度直接相關。而根據(jù)式（4）可知，通過調節(jié)結構的壁厚、壁長以及結構夾角等參數(shù)可以實現(xiàn)止擋結構剛度k1和k2的調節(jié)。降低彈性止擋的剛度可以延長止擋與質量塊的接觸作用時間，實現(xiàn)減弱接觸作用力，進而提高結構抗沖擊的能力。

設計時選取合理的止擋結構剛度，使彈性止擋在充分發(fā)揮彈性形變減弱止擋接觸作用力的同時又滿足材料最大許用應力的要求。

2 數(shù)值仿真計算

為驗證蜂窩形MEMS止擋結構的抗沖擊效果，基于典型的中間質量塊的雙端固支梁微結構設計了蜂窩形止擋驗證測試結構。測試結構中止擋結構位于質量塊的兩側對稱位置。設計的中間質量塊質量為2.3×10-4g，固支梁長220μm，梁寬10μm。蜂窩形止擋結構與質量塊間隙為3μm，蜂窩形孔穴的壁厚為4.5μm?？紤]到刻蝕負載等實際工藝情況，設計保持蜂窩形止擋結構的壁厚和夾角不變，僅改變壁長（等效于改變孔穴直徑）來實現(xiàn)蜂窩結構剛度的調節(jié)。

采用ANSYS仿真計算了蜂窩形止擋測試結構在水平X軸沖擊作用下的抗沖擊效果。仿真模型中施加的載荷為峰值3萬g，脈寬10 ms的半正弦波。單晶硅材料為各向異性材料，仿真模型中單晶硅材料的密度為2 330 kg/m3，應力-應變本構模型為[17]

式中:c11=165.6 GPa；c12=63.9 GPa；c44=79.5 GPa。仿真模型中X軸為＜100＞晶向，Y軸為＜010＞晶向，Z軸為＜001＞晶向。

圖4為仿真計算出的不同孔徑情況下的止擋結構中質量塊位移隨時間變化曲線，其中D6060曲線為兩層蜂窩孔直徑d1=60μm和d2=60μm的情況，類似的圖4中其他曲線的標示中前兩個數(shù)字表示蜂窩孔直徑d1的μm尺寸值，后兩位數(shù)字表示蜂窩孔直徑d2的μm尺寸值。根據(jù)仿真結果，可見蜂窩形止擋結構實現(xiàn)了對測試結構中質量塊運動位移的限幅，且蜂窩孔徑越小對應質量塊運動位移也越小。圖4中D7060與D6070曲線，D6040與D4060曲線幾乎重合，這表明交換兩層蜂窩孔的分布后，蜂窩狀微止擋結構的抗沖擊效果相同。

圖4 仿真得出的3萬g半正弦沖擊載荷條件下不同蜂窩止擋測試結構中質量塊位移隨時間變化曲線Fig.4 The simulated curve of mass displacement versus time in different honeycomb stop test structures under 30 000g semi-sine impact load

通常設計時，單晶硅材料的最大許用應力值取為500 MPa。故優(yōu)化設計時，在保證結構材料強度的前提下，最大化設計兩層蜂窩的孔徑。圖5為D10080、D7060和D6040三種蜂窩狀微止擋結構設計方案在相同3萬g半正弦沖擊載荷下的結構最大應變隨時間變化曲線。根據(jù)ANSYS仿真結果，優(yōu)選蜂窩孔徑為d1=70μm和d2=60μm的設計方案。

圖5 仿真得出的三種不同蜂窩孔徑組合情況下測試結構中最大應力隨時間變化曲線Fig.5 The simulated curve of the maximum stress versus time under the combination of three different honeycomb

圖6和圖7分別為仿真計算得出的3萬g沖擊條件下的最大應變峰值時刻，蜂窩形止擋測試結構整體的應變分布云圖和蜂窩形止擋結構的應變分布云圖。

圖6 3萬g沖擊下結構應變云圖Fig.6 Stress cloud diagram of structure under 30 000g shock

圖7 3萬g沖擊下蜂窩形止擋結構應力云圖Fig.7 Stress cloud diagram of honeycomb stop structure under 30 000g shock

3 加工制造

基于本單位的6英寸SOI（silicon-on-insulator）體硅工藝，加工出了蜂窩形MEMS止擋測試結構。加工工藝流程如圖8所示，主要加工步驟為:

圖8 蜂窩形止擋結構加工工藝流程圖Fig.8 Fabrication process for honeycomb stop structure

步驟1選用6英寸（100）單晶硅圓片；

步驟2高溫氧化，形成1μm厚二氧化硅絕緣層；

步驟3在二氧化硅絕緣層和襯底硅上刻蝕出錨點圖形；

步驟4選取另一片50μm結構層厚的SOI晶圓片，鍵合到上述（100）晶圓片上；

步驟5去除SOI晶圓片的底層硅以及二氧化硅絕緣層，形成所需的MEMS結構層；

步驟6采用深槽刻蝕工藝，刻蝕50μm結構層，加工出MEMS結構層圖形結構。

微加工完成的晶圓激光劃片后形成測試芯片。測試芯片黏接在陶瓷管殼內，管殼采用可伐合金蓋板密封以隔絕外界污染。

4 測試試驗

封裝后的沖擊測試結構芯片隨機編號，分別采用機械沖擊臺和霍普金森桿進行了沖擊試驗，以驗證不同沖擊g值和不同沖擊脈寬環(huán)境下的止擋結構的抗沖擊性能。

4.1 沖擊試驗

機械沖擊臺沖擊試驗時，取3只芯片用石蠟一起密閉固定于同一特制金屬腔體內，再轉接固定到機械沖擊臺臺面，如圖9所示。受設備最大沖擊g值限制，機械沖擊臺沖擊試驗僅測試了20 000g沖擊。臺面標準傳感器實測g值為21 041g，脈寬0.2 ms。

圖9 測試芯片機械沖擊臺沖擊試驗照片F(xiàn)ig.9 Experimental photo of test chips mounted on a mechanical impact table

霍普金森桿沖擊試驗時，沖擊曲線由多普勒激光干涉儀測量得出。圖10為固定于霍普金森桿上的測試芯片試驗照片。圖11為激光干涉儀測量得到的#10沖擊測試結構芯片所受沖擊g值曲線。

圖10 安裝于霍普金斯桿的測試芯片試驗照片F(xiàn)ig.10 Experimental photo of a test chip mounted on a Hopkins bar

圖11 #10止擋測試結構所受沖擊g值曲線Fig.11 g-value curve of impact on the#10 test structure

表1為蜂窩形止擋測試結構實際沖擊g值與脈寬數(shù)據(jù)表，其中#07芯片沖擊后未測量到有效數(shù)據(jù)。

表1 沖擊試驗g值Tab.1 Test g values of shock tests

4.2 試驗結果及分析

沖擊試驗后打開管殼金屬蓋板，采用顯微鏡觀測蜂窩形止擋測試結構是否發(fā)生失效。

經顯微鏡檢驗，機械沖擊臺沖擊試驗后，#01～#03測試結構均未觀測到結構斷裂或裂紋?；羝战鹕瓧U沖擊試驗后，#04～#10測試結構均未觀測到結構斷裂或裂紋，#11～#14測試結構沖擊后觀測到固支梁結構發(fā)生不同程度的斷裂失效。圖12為#11測試結構失效照片。沖擊試驗表明設計有蜂窩形止擋結構的中間質量塊的雙端固支梁結構具備至少抗3.2萬g沖擊的能力。

圖12 蜂窩形止擋結構沖擊試驗后失效照片F(xiàn)ig.12 The failure photo of honeycomb stop structure after shock test

在蜂窩形止擋測試結構旁還加工了無止擋的沖擊測試結構和固定剛性止擋的沖擊測試結構用于試驗對比。沖擊試驗結果顯示機械沖擊臺試驗和霍普金森桿沖擊試驗中未設計止擋的中間質量塊的雙端固支梁結構均發(fā)生了失效，表明未設計止擋的測試結構能承受的沖擊g值在0.9萬g～1.4萬g。圖13為無止擋的沖擊測試結構的失效照片，可見沖擊后質量塊與支撐梁連接部分發(fā)生了斷裂，質量塊脫落。

圖13 沖擊試驗后無止擋的測試結構失效照片F(xiàn)ig.13 The failure photo of test structure without stop after shock test

當測試結構受到5.2萬g沖擊后，設計采用剛性止擋的測試結構發(fā)生了止擋破碎失效，如圖14所示。而采用蜂窩形止擋測試結構的蜂窩形止擋未發(fā)生破碎失效問題，但部分蜂窩形止擋結構與質量塊發(fā)生了黏附失效。后續(xù)需要改進蜂窩形止擋結構的凸點設計，減小碰撞凸點的尺寸，降低止擋結構與質量塊碰撞接觸后的表面黏附力。

圖14 5.2萬g沖擊后測試結構失效照片F(xiàn)ig.14 The failure photo of test structure after 52 000g shock

5 結 論

為提高MEMS器件的抗沖擊能力，本文提出了一種新型的蜂窩形MEMS止擋結構，分析了蜂窩形止擋結構的優(yōu)點。以典型的中間質量塊的雙端固支梁微結構為對象，具體設計了蜂窩形止擋結構。采用SOI體硅工藝加工出了該沖擊測試結構。采用機械沖擊臺和霍普金森桿對加工出的測試結構進行了沖擊試驗。試驗結果表明，設計有蜂窩形止擋的中間質量塊的雙端固支梁測試結構具有至少抗3.2萬g沖擊的能力，比沒有止擋的相同結構抗沖擊能力提高了約2倍。與剛性止擋結構和彈性梁止擋結構相比，設計的蜂窩形止擋結構在提高MEMS結構抗沖擊能力的同時避免了強沖擊環(huán)境下剛性止擋可能發(fā)生的破碎失效問題，以及多級彈性梁止擋的梁根部應力集中和多種微小尺寸間隙較難加工的問題。